CN100594103C - 穿戴式指端无源力觉再现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实现遥操作机器人控制和虚拟现实应用的穿戴式指端无源力觉再现装置，包括固定带，力传感器，第一连杆，无源力发生器，第二连杆，第一端板和第二端板组成，该装置采用磁流变或电流变阻尼器作为无源力发生器。采用两连杆串联机构，将阻尼力传递到人手指端，从而对手指产生反作用力，使人手指感受到力的作用。采用力反馈控制技术，利用力传感器测量手指端部与连杆末端的相互作用力，作为力反馈信号定量控制阻尼器产生的阻尼力。本指端力觉再现装置具有结构简单，控制准确，运行安全可靠，成本低等优点。

Description

穿戴式指端无源力觉再现装置

技术领域

本发明涉及一种实现遥操作机器人控制的人机接口装置，尤其涉及一种虚拟现实应用的穿戴式指端无源力觉再现装置。

背景技术

随着交互式遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的具有力觉反馈作用的人机接口装置。数据手套和机器人手控器是两种常见的遥操作机器人的人机接口装置，机器人手控器是实现遥操作机器人控制的很有效的人机接口装置，但手控器相对而言，机械结构复杂，在固定的平台上操作，限制了手的活动范围，而且长时间操作后，操作者会感到劳累。传统的数据手套一般都能够较为准确地测量手指关节的转角和手指间的转角，并根据测量数据对远程机械手的抓取等动作进行控制，但不具有力觉反馈功能。力反馈数据手套作为一种人机接口装置，它一方面通过测量操作者手部的位置信息作为控制指令来控制机械手或虚拟现实中的虚拟机械手跟踪人手的运动，另一方面，将机器人反馈回来的力觉和触觉信息转换成直接作用于人手的力或力矩，使操作者产生在远地机器人工作现场或虚拟机器人工作现场的“身临其境”的力觉/触觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控制，或者在虚拟环境中产生真实的触摸感受，而且它克服了手控器机械结构复杂、手的活动范围小和传统数据手套不具有力反馈功能的缺点，具有广泛的使用前景。

但是，力反馈数据手套的成本较高，而且力反馈可以分为主动型和被动型，力反馈数据手套的力反馈装置可以装在手掌和手臂上，一般用一组机械结构固定在手臂，用微电机进行驱动；也有通过一组气动或液压装置固定在手掌上，用气或液休驱动。安装在手臂上的力反馈装置因其在手臂上，所以手可以自由的张开和握紧，但由于机构较为复杂，使这种力反馈装置重量较大，戴上这种力反馈数据手套长时间操作后手容量感到疲劳，而且控制电路也较为复杂，控制电路和驱动电机也要放置在工作平台上。安装在手掌上的力反馈装置的尺寸可以做得小一点，所以重量较轻，但是由于装置安装在手掌上，使手的张合受到影响，手掌不能完全握紧，另外，不管是气动还是液压的，都要有压力源，控制电路也比较复杂。

发明内容

本发明提供一种结构简单轻便且不需要数据手套的穿戴式指端无源力觉再现装置。

本发明采用如下技术方案：

一种用于实现遥操作机器人控制和虚拟现实应用的穿戴式指端无源力觉再现装置，包括第一连杆和第二连杆，在第一连杆和第二连杆之间设有无源力发生器，无源力发生器包括外壳，在外壳内充有流变液，在外壳内设有阻尼片和激励源，在阻尼片上连接有输出轴，所述第一连杆的一端与无源力发生器的外壳连接，所述第二连杆的一端与无源力发生器的输出轴连接，在第一连杆的另一端转动连接有第一端板，在第一端板上设有力传感器，在第二连杆的另一端转动连接有第二端板。

所述的无源力发生器中的激励源可以进一步采用如下之一的方案：

(1)无源力发生器中的激励源包括第一电极和设在阻尼片上的第二电极且第一电极与第二电极相面对，所述的无源力发生器中的流变液为电流变液。

(2)无源力发生器中的激励源包括设在外壳内壁上的第一线圈和第二线圈，所述的无源力发生器中的流变液为磁流变液。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明的整个装置为穿戴式结构，结构简单，主要是由第一连杆的一端同无源力发生器的外壳固联，第二连杆的一端同无源力发生器的输出轴铰联构成转动结构，增加了手部运动的自由度，使手在舒适合理的范围内运动，更加符合手的运动规律，并能体现出手部肌体组织的柔顺性。在现有的力反馈装置中，其中CyberGrasp是通过把较为复杂的机构安装在手背上，在每个手指固定一根细线，用一个微型电机拉动线使手指产生力的感觉，因其机械结构复杂、重量较大，使操作者长时间操作后产生疲劳，另外，接口电路和驱动电机要另外安装在一个远处的控制盒内，从而使摩擦力增大且手的活动范围也受到限制。Rutgers Master II力反馈数据手套是通过一组安装在手掌上的机构组成，重量较轻，摩擦力也较小，但由于其是气动的，所以必须提供额外高压气源，其控制装置也比较复杂。而基于数据手套的力反馈装置，其主要部件是一个开纵向槽的活塞，虽结构简单，但由于活塞的运动自由度受到限制，手只能在一个方向上运动，手部运动单一受限。

2、采用无源力觉再现方法，具有安全性高，体积小的优点。

3、采用力传感器测量指端力，将手指端部与连杆端部相互作用力的测量结果反馈给控制器构成力闭环控制，使得力控制的准确性和稳定性增加。

综上，本发明的指端无源力觉再现装置具有结构简单，控制准确，成本低且易于实现以及运行安全可靠的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的穿戴式指端无源力觉再现装置的立体示意图。

图2是本发明实施例的正面平面结构示意图。

图3是本发明实施例的俯视图。

图4是本发明实施例的磁流变阻尼器的结构示意图。

图5是本发明实施例的电流变阻尼器的结构示意图。

图6是本发明实施例的结构框图。

具体实施方式

下文结合附图以及具体实施例对本发明的穿戴式指端无源力觉再现装置进行详细描述。

参照图1、图2、图3，一种用于实现遥操作机器人控制和虚拟现实应用的穿戴式指端无源力觉再现装置，包括第一连杆2和第二连杆4，在第一连杆2和第二连杆4之间设有无源力发生器3，无源力发生器3包括外壳，在外壳内充有流变液，在外壳内设有阻尼片和激励源，在阻尼片上连接有输出轴，所述第一连杆2的一端与无源力发生器3的外壳连接，所述第二连杆4的一端与无源力发生器3的输出轴连接，在第一连杆2的另一端转动连接有第一端板1，在第一端板1上设有力传感器7，第一端板1与固定带8连接，在第二连杆4的另一端转动连接有第二端板6，第二端板6与固定带5相连接。

下面是实施例1：

在本实施例中，参照图4所示的无源力发生器3为电流变阻尼器，其中的激励源包括第一电极312和设在阻尼片上的第二电极311且第一电极312与第二电极311相面对，所述的无源力发生器3中的流变液为电流变液313。电流变液体313是一种液体智能材料，当有电场存在时，其流变学特性如粘度发生剧烈的变化。电流变液体是悬浮溶液，由固体粒子(分散相)均匀地分散在基础溶液(连续相)里，固体粒子和基础溶液均是绝缘性较好的电介质。固体粒子的直径大小在十分之一至百分之一微米，电流变效应有时称作Winslow效应，是由分散相粒子和连续相粒子的极化产生的，当有电场存在时，分散相粒子由于极化运动，在电场方向上形成链，当电场强度不断加大时，这种链就会变大，这就可能导致电流变液体的粘度、剪切力和其它特性发生变化，由原来流体状态变成半流体(具有一定黏弹性)如凝胶体，甚至变成固体。当移去电场时，电流变液体恢复成原来的流体。设阻尼片315的外径为r，第一电极312和阻尼片315上的第二电极311之间的间距为h，则输出轴314的剪切应力可以根据以下公式计算：

τ＝τ_c+η·v    (1)

(1)式中，τ_c为屈服应力，η为电流变液的塑性粘度，v为剪切速率。输出轴的转速为n，则剪切速率为：

$v=\frac{d\left(\mathrm{r\ωx}\right)}{\mathrm{dx}}=\frac{r}{h}n---\left(2\right)$

那么，由于电流变效应而产生的力矩T为：

$T={\∫}_0^{r}2\mathrm{\π\τ}{x}^2\mathrm{dx}=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\τ}}_c{r}^3}{3}+\frac{{\mathrm{\π\ηnr}}^4}{2h}---\left(3\right)$

根据电流变效应的原理，屈服应力τ_c可以表示为：

${\mathrm{\τ}}_c=K_c\frac{E^2}{h^2}---\left(4\right)$

K_c为屈服应力电场系数。则输出轴的输出力矩；

$T=\frac{2\mathrm{\π}{K}_c{E}^2{r}^3}{3h^2}+\frac{{\mathrm{\π\ηnr}}^4}{2h}---\left(5\right)$

由于手指活动的速度很低，所以(5)式中的第二项可以忽略不计，即

$T=\frac{2\mathrm{\π}{K}_c{E}^2{r}^3}{3h^2}---\left(6\right)$

从(6)式可知，输出力矩T与外加电压E的2次方成正比。因此我们通过控制外加电压E的大小就可以迅速准确地控制阻尼的变化。

采用电流变阻尼器的穿戴式指端无源力觉反馈装置的工作原理如下：穿戴式指端无源力觉再现装置的结构参照图1、图2、图3。当没有电场加到两个电极之间时，装置柔软性好，指关节能够自由伸曲。当有电场加到两个电极之间时，电流变液体的流变学性能发生了变化，粘度提高，并产生抗剪切屈服应力，从而阻碍连杆运动，产生一个被动的力作用在手指上，使手指感觉到力作用，手指伸曲受阻。当电场达到一定的临界值时，电流变液体变成固态，具有固体的特征，手指伸曲完全受阻。同时，固定在第一端板上的力传感器检测手指受到的作用力反馈给控制系统，通过控制电路将力信息成比例的转换成电压加载到电流变阻尼器，使电流变液体的流变学性能改变，增加或减小粘度系数，从而控制手指继续弯曲。参照图6，穿戴式指端无源力觉反馈装置采用比例控制，无源力发生器产生的阻尼力f_d与力传感器测量出的力f比较，并设计合适的控制比例P值以达到精确控制的目的。

下面是实施例2：

在本实施例中，参照图5所示的无源力发生器3为磁流变阻尼器，其中的激励源包括设在外壳322内壁上的第一线圈325和第二线圈326，所述的无源力发生器3中的流变液为磁流变液321。电流变液体321是一种液体智能材料，可以通过控制激磁大小能产生不同的剪切力。磁流变液是饱和磁感应强度很高而矫顽力很小的软磁微粒分散于不导磁的油中形成的悬浊液。在外加磁场下，其流体结构和性能会瞬间变化，表观粘滞系数增加几个数量级，甚至表现出类固体性能，其产生的屈服强度随外加磁场的变化而变化，当外加磁场撤除后，在几个毫秒内磁流变液的结构和性能迅速复原。控制线圈的激磁电流大小就可控制磁流变液的剪切屈服应力，进而控制输出转矩。输出轴323的剪切应力可以根据以下公式计算：

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_y\left(H\right)\mathrm{sgn}\left(\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dy}}\right)+\mathrm{\η}\·\left(\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dy}}\right)---\left(7\right)$

(7)式中，τ是磁流变液的剪切应力；τ_y(H)是磁流变液的屈服剪切应力；η是流体的动力粘度；

为速度梯度，等号右边第一项称为库仑剪切应力，第二项称为粘滞剪切应力。τ_v(H)与磁场强度有关，随着磁场强度的改变而变化，所以，屈服剪切应力可以由磁场进行控制。

采用磁流变阻尼器的穿戴式指端无源力觉反馈装置的工作原理如下：穿戴式指端无源力觉再现装置的结构参照图1、图2、图3。当没有电场加到磁流变液体周围的线圈上时，装置柔软性好，指关节能够自由伸曲。当有电场加到磁流变液体周围的线圈上时，磁流变液体的流变学性能发生了变化，粘度提高，并产生抗剪切屈服应力，从而阻碍连杆运动，产生一个被动的力作用在手指上，使手指感觉到力作用，手指伸曲受阻。当电场达到一定的临界值时，磁流变液体变成固态，具有固体的特征，手指伸曲完全受阻。同时，固定在第一端板上的力传感器检测手指受到的作用力反馈给控制系统，通过控制电路将力信息成比例的转换成电压加载到磁流变阻尼器，使磁流变液体的流变学性能改变，增加或减小粘度系数，从而控制手指继续弯曲。参照图6，穿戴式指端无源力觉反馈装置采用比例控制，无源力发生器产生的阻尼力f_d与力传感器测量出的力f比较，并设计合适的控制比例P值以达到精确控制的目的。

Claims (3)

1、一种用于实现遥操作机器人控制和虚拟现实应用的穿戴式指端无源力觉再现装置，其特征在于：包括第一连杆(2)和第二连杆(4)，在第一连杆(2)和第二连杆(4)之间设有无源力发生器(3)，无源力发生器(3)包括外壳，在外壳内充有流变液，在外壳内设有阻尼片和激励源，在阻尼片上连接有输出轴，所述第一连杆(2)的一端与无源力发生器(3)的外壳连接，所述第二连杆(4)的一端与无源力发生器(3)的输出轴连接，在第一连杆(2)的另一端转动连接有第一端板(1)，在第一端板(1)上设有力传感器(7)，在第二连杆(4)的另一端转动连接有第二端板(6)。

2、根据权利要求1所述的穿戴式指端无源力觉再现装置，其特征在于无源力发生器(3)中的激励源包括第一电极(312)和设在阻尼片上的第二电极(311)且第一电极(312)与第二电极(311)相面对，所述的无源力发生器(3)中的流变液为电流变液(313)。

3、根据权利要求1所述的穿戴式指端无源力觉再现装置，其特征在于无源力发生器(3)中的激励源包括设在外壳(322)内壁上的第一线圈(325)和第二线圈(326)，所述的无源力发生器(3)中的流变液为磁流变液(321)。

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